CN109902448B - 考虑刀具磨损的机床加工过程能耗模型建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑刀具磨损的机床加工过程能耗模型建模方法，用于解决现有机床加工过程能耗模型建模方法预测精度差的技术问题。技术方案是首先建立考虑刀具磨损的切向dF_t ^w和轴向dF_z ^w切削力模型，再建立机床加工中的额外负载能耗模型，进而建立空载能耗模型，最后建立考虑刀具磨损的机床加工能耗模型。与背景技术不考虑刀具磨损的能耗模型相比，本发明考虑刀具磨损的机床加工过程能耗模型的预测精度高，平均预测误差减小了66％。

Description

考虑刀具磨损的机床加工过程能耗模型建模方法

技术领域

本发明涉及一种机床加工过程能耗模型建模方法，特别是涉及一种考虑刀具磨损的机床加工过程能耗模型建模方法。

背景技术

随着现代制造业对能效的要求越来越高，机床能耗近年来受到广泛关注，为了实现更高的制造能效，可靠的能源消耗建模是先决条件，因为它为任何与能效相关的优化提供基础。航空航天的复杂零件多为难加工材料，加工过程中必然会出现严重的刀具磨损问题，刀具磨损会引起机床能耗的变化，从而导致不考虑刀具磨损的能耗模型预测精度降低，无法准确预测实际加工过程中的机床能耗等问题。

针对难加工材料零件的加工而言，刀具磨损引起的切削力变化是明显的，进而导致了切削能耗的明显变化，现有的不考虑刀具磨损的能耗建模方法显然不再适用。因此，很有必要寻找一种考虑刀具磨损的能耗模型建模方法，实现对难加工材料的加工过程的能量消耗进行精准预测，为降低加工能耗，实现高效能加工提供理论支撑。

发明内容

为了克服现有机床加工过程能耗模型建模方法预测精度差的不足，本发明提供一种考虑刀具磨损的机床加工过程能耗模型建模方法。该方法首先建立考虑刀具磨损的切向

和轴向

切削力模型，再建立机床加工中的额外负载能耗模型，进而建立空载能耗模型，最后建立考虑刀具磨损的机床加工能耗模型。与背景技术不考虑刀具磨损的能耗模型相比，本发明考虑刀具磨损的机床加工过程能耗模型的预测精度高，平均预测误差减小了66％。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种考虑刀具磨损的机床加工过程能耗模型建模方法，其特点是包括以下步骤：

步骤一、分别建立考虑刀具磨损的切向

和轴向

切削力模型：

其中，K_tc,K_zc,K_te,K_ze为切削力系数，μ是滑动摩擦系数，VB是刀具磨损量，dA是被去除材料的微分面积，Δb是切屑宽度，E是弹性模量，δ是材料回弹率，h是切削层的厚度。

公式(1)，(2)简化表示为：

其中，ΔK_tw和ΔK_zw分别表示两个方向上的磨损系数，与刀具磨损量VB有关。

分析切削能耗的组成，主要由进给方向的能耗功率和主轴旋转方向的能耗功率组成。

P_feed表示加工过程中进给方向的能耗功率，P_rotation表示加工过程中主轴旋转方向的能耗功率，根据不同加工方式的特点分别计算P_feed和P_rotation。

切削过程中进给方向的能耗功率主要由轴向力

做功。

主轴旋转方向的能耗功率主要由切削力做功。

因此建立考虑刀具磨损的切削能耗模型：

步骤二、建立机床加工中的额外负载能耗模型：

根据机床性能、计算效率以及模型精度要求额外负载能耗功率P_auxiliary表示为：

P_auxiliary＝C₀P_cutting (9)

其中，C₀、C₁为实验数据得到的系数。当对计算效率要求较高时，额外负载能耗功率模型选用(9)，当对模型进度要求较高时，额外负载能耗功率模型选用(10)。

步骤三、建立空载能耗模型：测量机床在非切削状态下不同转速下的空载能耗，将所得数据进行拟合，建立空载能耗模型：

P_idle＝g(n) (11)

其中，n为机床主轴转速。

步骤四、建立考虑刀具磨损的机床加工能耗模型：

本发明的有益效果是：该方法首先建立考虑刀具磨损的切向

和轴向

切削力模型，再建立机床加工中的额外负载能耗模型，进而建立空载能耗模型，最后建立考虑刀具磨损的机床加工能耗模型。与背景技术不考虑刀具磨损的能耗模型相比，本发明考虑刀具磨损的机床加工过程能耗模型的预测精度高，平均预测误差减小了66％。

本发明将实际加工中不可避免的刀具磨损因素考虑进机床加工能耗模型中，预测模型更加贴近实际加工状态，方法简单易行，并且对实际的机械加工生产有较强的适用性。

本发明方法预测的能耗与不考虑刀具磨损的能耗模型相比预测精度进一步提高，在实际加工中有着很好的参考价值。

本发明方法还可用于刀具寿命预测，加工过程中的刀具磨损监测定等，有着广阔的应用前景。

下面结合具体实施方式对本发明作详细说明。

具体实施方式

本实施例以钻孔(也适用于其他加工方式)为例，材料为高温合金GH4169；刀具直径为12mm的麻花钻。采用YHVT850Z数控加工中心进行加工。

本发明考虑刀具磨损的机床加工过程能耗模型建模方法具体步骤如下：

步骤一、考虑刀具磨损的切向

和轴向

切削力模型分别为：

其中，K_tc,K_zc,K_te,K_ze为切削力系数，μ是滑动摩擦系数，VB是刀具磨损量，dA是被去除材料的微分面积，Δb是切屑宽度，E是弹性模量，δ是材料回弹率，h是切削层的厚度。

建立考虑刀具磨损的切削能耗模型：

其中，P_feed表示加工过程中进给方向的能耗功率，P_rotation表示加工过程中主轴旋转方向的能耗功率，根据不同加工方式的特点分别计算P_feed和P_rotation。

公式(1)，(2)简化表示为：

其中，ΔK_tw和ΔK_zw分别表示两个方向上的磨损系数。

步骤二、建立机床加工中的额外负载能耗模型：

根据机床性能、计算效率以及模型精度要求额外负载能耗功率P_auxiliary可以表示为：

P_auxiliary＝C₀P_cutting

其中，C₀、C₁为实验数据得到的系数。当对计算效率要就较高时，额外负载能耗功率模型选用(9)，当对模型进度要求较高时，额外负载能耗功率模型选用(10)。

步骤三、空载能耗模型的建立：测量机床在非切削状态下不同转速下的空载能耗，将所得数据进行拟合。建立空载能耗模型：

P_idle＝g(n)

其中，n为机床主轴转速。

步骤四、考虑刀具磨损的机床加工能耗模型的建立。

本实施例中，在YHVT850Z数控加工中心上对高温合金GH4169材料进行钻孔加工，采用本发明方法对其钻削(也适用于其他加工方式)过程进行：

(1)建立考虑刀具磨损的切削力模型：

按照步骤一进行考虑刀具磨损的切向

和轴向

切削力模型建模，根据实验所得数据，其切削力模型为：

其中，K_tc＝5120.3，K_te＝134.0，K_zc＝5200.6，K_ze＝334.9，△K_tw＝0.5571VB-7.6583,△K_zw＝0.2309VB-52.994。

(2)基于考虑刀具磨损的切削力的切削能耗模型的建立：

按照步骤一进行钻削(其他加工方式切削能耗略有不同)切削能耗建模。

根据钻削的加工特点，计算出铣削加工的瞬时切削能耗模型为：

其中V为切削速度，f为进给量。

(3)建立钻削加工的额外负载能耗模型：

按照步骤二建立铣削加工的额外负载能耗模型，经计算其额外负载能耗模型为：

P_auxiliary＝0.1336P_cutting

(4)建立空载能耗模型：

按照步骤三进行空载能耗模型建立，在机床非切削状态下分别测出不同转速下的功率，拟合计算出空载能耗模型：

P_idle＝0.0003n²+0.0524n+1221

(5)建立总能耗预测模型：

按照步骤五建立总能耗预测模型，其建立总能耗预测模型为：

本发明方法对数控机床加工过程能耗进行预测得到的精度较高，更加接近实际生产的加工条件。与不考虑刀具磨损的能耗模型相比，考虑刀具磨损的能耗模型的预测精度高，平均预测误差减小了66％，因此，实际工作中有着更好的参考价值。

表1不同加工参数下的能耗误差对比

Claims (1)

1.一种考虑刀具磨损的机床加工过程能耗模型建模方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、分别建立考虑刀具磨损的切向dF_t ^w和轴向dF_z ^w切削力模型：

其中，K_tc，K_zc，K_te，K_ze为切削力系数，μ是滑动摩擦系数，VB是刀具磨损量，dA是被去除材料的微分面积，Δb是切屑宽度，E是弹性模量，δ是材料回弹率，h是切削层的厚度；

公式(1)，(2)简化表示为：

其中，ΔK_tw和ΔK_zw分别表示两个方向上的磨损系数，与刀具磨损量VB有关；

建立考虑刀具磨损的切削能耗模型：

P_feed表示加工过程中进给方向的能耗功率，P_rotation表示加工过程中主轴旋转方向的能耗功率，V表示切削速度，f表示进给量；

步骤二、建立机床加工中的额外负载能耗模型：

根据机床性能、计算效率以及模型精度要求额外负载能耗功率P_auxiliary表示为：

P_auxiliary＝C₀P_cutting (6)

其中，C₀、C₁为实验数据得到的系数；当对计算效率要求较高时，额外负载能耗功率模型选用(6)，当对模型进度要求较高时，额外负载能耗功率模型选用(7)；

步骤三、建立空载能耗模型：测量机床在非切削状态下不同转速下的空载能耗，将所得数据进行拟合，建立空载能耗模型：

P_idle＝g(n) (8)

其中，n为机床主轴转速；

步骤四、建立考虑刀具磨损的机床加工能耗模型：